蜂窝密封流场旋涡能量耗散的数值研究

　　0 引言

　　随着汽轮机，航空发动机等旋转机械性能的不断提高，密封的泄漏已经成为影响透平机械性能的重要因素之一，改进和发展密封技术有巨大潜力。美国在其联合涡轮先进燃气发生器项目的第三阶段目标(JTAGGⅢ)中指出，通过该项目的实施，争取燃气轮机燃料消耗减少 40% ，增加发动机的轴功率与重量比 120%，减少生产成本35%，减少维护费用 35%，并指出改进和发展新的密封技术是达到这些目标的有效手段[1-2]。梳齿密封和蜂窝密封是非接触式动态密封中应用最广泛的两种，但随着透平机械向大容量高效率的方向发展，梳齿密封泄漏问题逐渐突出;蜂窝密封作为一种可磨耗的先进密封结构，主要用于航空发动机和燃气轮机等高速旋转机械的轴封和叶栅端部间隙密封中，由于优越的封严特性和转子动力稳定性，在汽轮机中的应用逐步得到重视[3]。

　　国内外的学者对蜂窝密封的特性进行了相应的研究。美国的Childs，Kleyhans和ha等人针对蜂窝密封的动力特性做了大量的研究[4-8]。G Chochua利用小雷诺数湍流模型通过数值计算研究了蜂窝密封周期性结构中速度、压力、温度的分布以及损失的机制，并模拟了蜂窝腔内旋涡的结构[9]。何立东等人实验研究了蜂窝密封的减振机理和密封性能[10-14]，并提出了用细观力学的思想，分析密封流场的细观特性对叶轮机械性能的影响，认为旋涡等流体的细观结构，在叶尖密封流场中起着关键作用[15]。李军等人对蜂窝密封和迷宫密封的流动特性进行了数值研究[16]。总的来说，蜂窝密封方面研究目前还以实验为主，相应的理论研究还比较少。本文从蜂窝密封中气体能量转化的角度进行数值分析，研究蜂窝密封内旋涡的能量耗散对密封泄漏特性的影响。

　　1 计算模型和数值模拟方法

　　当梳齿密封或蜂窝密封的两端压差和泄漏达到稳定状态时，密封中的流动可以看作时三维定常的稳态流动。这里采用 k-ε 两方程湍流模式，用商业CFD 软件 CFX 对梳齿密封和蜂窝密封建立计算模型，所建模型均采用四面体单元划分网格，在小尺寸和几何外形突变的区域进行网格加密。为了验证该软件使用 k-ε两方程湍流模式计算结果的正确性，建立文献[12]中蜂窝密封泄漏实验的 CFX 计算模型，计算结果和实验结果进行比较如表 1 所示，从表中可以看出计算误差都比较小，说明使用该软件进行数值计算得到的结果是可靠的。

　　如图 1 为建立的梳齿密封和蜂窝密封的三维结构示意图。所取局部密封件长度为40mm，宽10mm，密封间隙均为 1mm;梳齿密封的齿数为 5，齿厚为2 mm，齿高和齿间距均为 7.5 mm;蜂窝密封的芯格尺寸(蜂窝对边距)为 8mm，壁厚为 0.1mm，腔深为8 mm。流动介质是 25℃的空气，入口压力 P1可以调整，出口压力 P2=101 325 Pa。